CC BY
33
УДК 378:004
В. С. ФЕДОРЕЙКО, Р. М. ГОРБАТЮК, I. I. ПАВХ, М. I. РУТИЛО
1М1ТАЦ1ЙНЕ КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЯК ЕФЕКТИВНИЙ ЗАС1Б ПОДГОТОВКИ МАЙБУТН1Х УЧИТЕЛ1В ТЕХНОЛОГИ ТА ШЖЕНЕРШ-ПЕДАГОПВ
У cmammi розкрито особливостi iмiтацiйного комп 'ютерного моделювання nid час тдготовки учителiв технологи та iнженерiв-nедагогiв до майбутньоЧ профестноЧ дiяльностi на npumadi вивчення дисциплти «Електротехтка». Встановлено, що застосування комп 'ютерних технологш у навчальному процеЫ тдвищуе тзнавальний ттерес студентiв, розширюеможливостi цыеспрямованого формування, поглиблення та засвоення теоретичних знань, робить процес навчання технологiчнiшим i результативтшим.
Ключовi слова: моделювання, комп'ютерт технологи, методи, навчальний процес, учителi технологи, тженери-педагоги.
В. С. ФЕДОРЕЙКО, Р. М. ГОРБАТЮК, И. И. ПАВХ, Н. И. РУТЫЛО
ИМИТАЦИОННОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ЭФЕКТИВНОЕ СРЕДСТВО ПОДГОТОВКИ УЧИТЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИИ
И ИНЖЕНЕРОВ-ПЕДАГОГОВ
В статье раскрываются особенности имитационного компьютерного моделирования при подготовке учителей технологии и инженеров-педагогов к будущей профессиональной деятельности на примере изучения дисциплины «Электротехника». Установлено, что применение компьютерных технологий в учебном процессе повышает познавательный интерес студентов, расширяет возможности целенаправленного формирования, углубления и усвоения теоретических знаний, делает процесс обучения технологичнее и результативнее.
Ключевые слова: моделирование, компьютерные технологии, методы, учебный процесс, учителя технологии, инженеры-педагоги.
V. S. FEDOREIKO, R. M. HORBATIUK, I. I. PAVH, N. I. RUTYLO
SIMULATIVE COMPUTER MODELING AS MEANS OF PREPARING TEACHERS MOST EFFECTIVE TECHNOLOGY ENGINEERS AND EDUCATORS
The article describes features of computer simulation in teacher training and technology engineers and educators to future careers in the example of the discipline, «Electronics». It was found that the use of computer technology in the learning process improves the cognitive interest of students, enhances the formation of a focused, deeper, and assimilation of theoretical knowledge, makes the learning process smarter and more productively.
Keywords: modeling, computer technology, methods, teaching process, teachers of technology, engineers, teachers.
Сучасний стан реформування професшно! освии вимагае нового шформацшно-методичного забезпечення. Сьогодш гостро сто!ть проблема ввдбору, систематизации накопичення та передання знань, формування вмж i навичок, тому зростае роль штелектуальних компютерних систем у тдготовщ майбутшх фахiвцiв [1, с. 53]. З огляду на це, необхвдно вибирати найбшьш ефективш, доцшьш педагопчш технологи як послвдовт взаемозв'язаш системи дш викладача, спрямоваш на виршення педагопчних завдань, або як
планомiрне i послiдовне втшення на практицi заздалегiдь спроектованого педагопчного процесу [2, с. 89-93].
В умовах шформатизацп сучасного сустльства стратегiчним напрямом активiзацil навчального процесу е не збiльшення обсягiв отримано1 шформаци, а створення дидактичних i психологiчних умов навчання, включения в нього студенпв (учнiв) на рiвнi штелектуально1, особиспсно1 та сощально1 активность
Враховуючи iнтегральний характер професшно1 дiяльностi майбутнiх учителiв технологи та iнженерiв-педагогiв, спираючись на власний досвiд роботи в педагопчному унiверситетi, ми передбачили необхвдш методи навчання, що забезпечувалися вiдповiдними засобами iнформацiйних технологiй. Осшльки покращення якостi професшно1 пiдготовки студенпв псно пов 'язано з тдвищенням ефективностi педагопчно1 системи ВНЗ, то в процес пiдготовки майбутнiх учителiв технологи та iнженерiв-педагогiв до професшно1 дiяльностi ми використали, крiм традицшних методiв навчання (вербальнi, практичнi), iмiтацiйне комп'ютерне моделювання.
Аналiз дослiджень i публiкацiй, присвячених пiдготовцi майбутнiх учителiв технологи та iнженерiв-педагогiв до професшно1 дiяльностi свiдчить про необхiднiсть впровадження у навчальний процес нових прогресивних методiв навчання. Помiтно, що тдготовка фахiвцiв, здатних здiйснювати професiйну та виробничо-технолопчну дiяльнiсть, е першочерговим, прюритетним напрямом розвитку вищо1 освiти.
Використання iнформацiйних технологiй у навчальному процес суттево вплинуло на систему засобiв i методiв навчання, спiввiдношения i взаемодiю окремих компонентiв ще1 системи.
Проблеми шформатизацп навчального процесу е предметом психолого-педагопчних до^джень В. Бикова, А. Верланя, Р. Гуревича, М. Жалдака, Н. Морзе, Ю. Рамського, В. Клочка, П. Стефаненка та ш. Проте цi питання дослiджуються науковцями в загальнотеоретичному аспект^ без урахування вимог конкретно1 професшно1 дiяльностi майбутшх фахiвцiв.
Метою статтi е обгрунтування особливостей iмiтацiйного комп'ютерного моделювання у тдготовщ майбутнiх учителiв технологи та iнженерiв-педагогiв.
Проблема впровадження комп'ютерного моделювання в навчальний процес у вичизнянш вищiй школi ще далека ввд свого вирiшення. Викладач, прагнучи оптишзувати власну дiяльнiсть у повсякденнiй практищ, змушений шукати та впроваджувати педагопчт шноваиц для п1дтримки свого професiоналiзму на належному рiвнi. Розвиток комп'ютерно1 технiки та iнформацiйних технологiй змшив передусiм постановку навчального експерименту i дав змогу багатократно скоротити термши проведення рiзних вимiрювань та обробку результатiв. Така iнтенсифiкацiя вiдкрила невiдомi ранiше можливостi комп'ютерного моделювання в навчально-виховному процесi.
Процес побудови комп'ютерних моделей гармоншно вписуеться в хвд заняття, дозволяючи викладачу продемонструвати бшьшють властивостей об'екта, застосувати iгровi та iмiтацiйнi методи активного навчання. У процес навчання студентiв метод моделювання е основним шструментом пiзнания педагопчних явищ, технологiчних i виробничих процесв у тих випадках, коли провести педагопчний експеримент у реальних умовах неможливо. Евристична сила методу моделювання визначаеться тим, що за його допомогою вдаеться звести складне до простого, тобто зробити предмет доступним для ретельного та всебiчного вивчення [3, с. 140-143]. Моделювання в штелектуальних системах сприяе пiдвищенню професiйностi фахiвцiв, формуванню вмiнь працювати зi знаннями, вибирати адекватнi моделi для !х подання, дослiджувати цi моделi за допомогою комп'ютерних засобiв.
У педагогiчнiй практищ поняття «модель» трактуеться як деякий об'ект, подiбний до оригiналу. На думку Н. Морзе, моделювання е найбшьш адекватним сучасним вимогам до системи освии методом включення комп'ютера у навчальний процес, яке забезпечуе активний вид навчально-тзнавально1 дiяльностi студенпв [4, с. 87]. Ми погоджуемося з цим твердженням, оскiльки вважаемо, що використання комп'ютерного моделювання (дослщження явищ на основi готових моделей або тих, що розробляються) у навчальному процес дае змогу штенсиф^вати й активiзувати пiзнавальну дiяльнiсть студенпв.
Проведений нами аналiз методiв навчання показав, що на сучасному етат iмiтацiйне комп'ютерне моделювання, на вiдмiну вiд iнших видiв комп'ютерного моделювання,
безпосередньо застосовуеться у процес вивчення студентами як суб'ектами пiзнання явищ, процеав i законiв природи та технолопчних систем. У системi технолопчно1 i професшно1 освiти воно найбiльш широко застосовуеться в процес вивчення студентами дисциплш «Техшчна мехашка», «Електротехшка», «Комп'ютерна графша», «Комп'ютерний дизайн», <^ЕВ-дизайн» та ш.
Пiд iмiтацiйним моделюванням ми розумiемо спецiальну форму вдеально1 математично! моделi, за допомогою яко! майбутш вчителi технологи та iнженери-педагоги до^джують об'ектну систему-оригiнал, зовнiшнi впливи та алгоритми функцюнування системи. Цi алгоритми не дають можливостi використовувати наявш математичнi методи аналiтичного та числового ршення, проте дозволяють iмiтувати процес функцiонування системи та здiйснювати вишрювання необхiдних характеристик [5, с. 145-147]. 1миацшне моделювання е одним iз засобiв полiпшення професшно1 пiдготовки фахiвцiв, оск1льки методи традицiйного навчання не забезпечують зменшення вiдмiнностей мiж наявшстю знань i вiдсутнiстю вмiнь вирiшувати професiйно-орiентованi завдання. Отже, навчання на iмiтацiйних моделях, як1 максимально наближають реальну ситуацiю та сприяють формуванню в студента професiоналiзму, е доцшьним [6, с. 223].
1снуе два способи розробки комп'ютерних моделей: за допомогою спецiалiзованих програмних засобш i програмування. У нашому випадку найбшьш рацiональним пiдходом до iнженерноl тдготовки майбутнiх фахiвцiв е використання у навчальному процесi прикладного програмного забезпечення вiдповiдного спрямування. Спецiалiзованi програмнi засоби дозволяють швидко i зручно створити навчальну комп'ютерну модель, яка обмежена набором об'екпв i методiв, що iснують у програмних середовищах.
Використовуючи навчальне програмне забезпечення, ми мали на увазi не тшьки забезпечення студенпв формальними знаниями, а й управлшня мотивами, емоцiями та iншими особистюними чинниками, як1 впливають на иродуктившсть навчально-тзнавальнох дiяльностi майбутнiх учителш технологи та iнженерiв-педагогiв.
Розглянемо бшьш детально особливостi використання iмiтацiйного комп'ютерного моделювання тд час професшно1 тдготовки майбуттх учителiв технологи та iнженерiв-педагогiв у Тернопiльському нацiональному педагопчному унiверситетi iменi Володимира Гнатюка (ТНПУ) на прикладi вивчення дисциплiни «Електротехшка».
Процес вказаного моделювання ми орiентували на побудову електричних схем за допомогою графiчних редакторiв, редагування параметрiв компонентiв i приеднання з метою формування сигналiв та шдикаци впливу «вiртуальних» приладiв (генераторiв, рiзних вимiрювачiв тощо). Прикладнi програмнi засоби, як використовувалися для вивчення згаданих дисциплш, подшяли на три групи: моделювання аналогових пристро1в; моделювання цифрових пристро1в; моделювання аналогово-цифрових пристро1в (рис. 1). У цих програмних продуктах комп'ютерного моделювання застосовуються <^ртуальш» прилади, тд якими ми розумiемо математичну модель, що пптуе структурш та функцюнальш иринциии роботи ириладу.
Рис. 1. Комп 'ютерне забезпечення дисциплти «Електротехшка».
Для вивчення електротехшки широко використовували середовище Ма^АВ iз вмiщеним шструментом вiзуального моделювання 81шиНпк [7, с. 271-276]. Ма^АВ е потужним засобом для створення i дослiдження вiртуальних моделей, синтезу та аналiзу систем автоматичного керування реальними об'ектами.
Пiд час розробки автоматизованих систем на стади проектування виникае необхiднiсть в оптишзацл !х режимiв i на цiй основi визначення параметрiв, реалiзацiя яких дае змогу найбшьш рацiонально керувати технологiчними процесами. Аналiтичне конструювання електромеханiчних систем у таких випадках не забезпечуе достатньо! точностi через значнi вiдхилення, котрi приймаються в процесi вирiшення ще! задачi.
Iмiтацiя режимiв роботи електромехашчних систем на фiзичних моделях мае наближений характер, що пов'язано зi складною фiзичною реалiзацiею випадкових функцш навантаження [7, с. 69-71]. Тому найбшьш ефективним методом оптимiзацп електромехашчних систем, з будь-яким збуренням у !х каналах, е математичне моделювання.
Впровадження в останнi роки у практику науково-дослщних розробок мiкропроцесорних систем i персональних комп'ютерiв (ПК) зумовило подальший розвиток цифрового моделювання електромехашчних систем [8, с. 235-238], яке поеднуе переваги фiзичного та математичного (комп'ютерного) моделювання.
Спiвробiтниками кафедри машинознавства та комп'ютерно! iнженерil ТНПУ розроблено автоматизоване робоче мюце (АРМ) студента, що об'еднуе комплекс апаратних i програмних засобiв iз використанням ПК для до^дження замкнутих систем (рис. 2).
Головним елементом замкнуто! системи АРМ е контролер на базi центрального процесора (ЦП) ТМ8320С31. 1нтерфейс контролера забезпечуе можливiсть отримувати даш з дек1лькох аналогових i цифрових перифершних пристро!в (датчики температури, концентраци газу та частоти обертання) та водночас керувати виконавчими мехашзмами через дискретш й аналоговi вихiднi канали. Така система за допомогою програмних засобiв забезпечуе реалiзацiю алгоритмiв керування i регулювання, а також автоматично! реестраци отриманих даних. Крiм цього, виконуеться поточний контроль за системою загалом. Засоби вiзуалiзацi! вiдображають значения фiзичних величин у реальному чась
Для оргашзаци зручного та швидкого доступу до вимiрювальних ресурсiв, налаштувань конкретних модулiв, задания робочих режимiв роботи i законш регулювання, а також забезпечення зв'язку з оператором система оснащена додатковим ЕШегпе^модулем з ввдповвдним програмним забезпеченням. За допомогою кабельно! лши зв'язку контролер пiд'eднуeться до ПК або локально! мереж! Це створюе можливiсть доступу до системи з будь-якого комп'ютера, що е в локальнiй мережi. Для цього достатньо в Iнтернет-браузерi вказати задану 1Р-адресу ЕШегпе^модуля та викликати сторiнку налаштувань чи контролю основних параметрiв системи (рис. 3).
За необхвдносп данi вимiрювань можуть ввдправлятись по е-шаИ на заздалегiдь вказану адресу iдентифiкованих користувачiв. Крiм цього, система додатково оснащена резервним штерфейсом Я8-232 (послiдовний СОМ-порт), який використовуеться у разi вiдсутностi в ПК мережевого адаптера.
Модуль Ё1Иете1 монгторингу - МюгозоИ 1п1ете1 Екр1огег 1: №1
Файл Правка Вид Избранное Сервис Справка п
Назад. - 4 - @ Ц Д Ц Поиск [|] Избранное ¡^Журнал 3 8 Т Э
Адрес |Ц Д ЩЩ^Щ ^ ] Ссылки
5
1 Вист амжу Мг/тЗ= О
2Темперадаавнутр1шнк = Цв
ЗТемпераЧуазовншня = ВДВ
4 Кишеть ЩШЙ^ квйпану: ^ Й
Рис. 3. Стортка контролю параметрiв замкнутоI системи АРМ студента.
Використання ЕШегпе^модуля переводить систему контролю технолопчних процесiв на яюсно новий рiвень автоматизации Якщо використання Я8-232 порта може дозволити створити вимiрювальну систему, то рiвень автоматизаци мережевого 10\100 Ба8е4 iнтерфейсу дозволить створити схему технолопчного процесу нового поколшня (рис. 4), яка працюе за принципом автономного прийняття ршень. Це дае змогу позбутися проблем керування, пов'язаних з можливiстю падшня каналiв передачi даних. Основною перевагою цього методу е його повна адаптившсть для потреб сучасного ринку, корпоративного бiзнесу з великою кшьшстю репональних представництв i безлiччю складних технологiчних процесiв.
Одночасно з розробкою фiзично! моделi АРМ студента засобами 81шиНпк (МАТЬАБ) [7] нами створена И iмiтацiйна модель (рис. 5), яка забезпечила проведення комплексного аналiзу побудовано! автоматично! системи, вiзуалiзацiю результапв моделювання у числовiй формi, а також у виглядi графiкiв залежностей рiзних величин (рис. 6). Результати до^дження iмiтацiйно! моделi АРМ студента показали високу достовiрнiсть вiдтворения поведшки реально! системи.
Рис. 4. Система автоматизаци технологiчного процесу.
Рис. 5.1мтацшна модель замкнутоI автоматичноI системи АРМ студента.
студенпв до навчального матерiалу, розширюе можливостi цiлеспрямованого впорядкованого формування, поглиблення та засвоення теоретичних знань студенпв, робить процес навчання технолопчшшим i результативнiшим. Пiдтверджениям цього е стабшьне вiдвiдувания студентами лабораторних занять з курсу «Електротехшка», активiзацiя самостшного виконання ними завдань, розмiщених на серверi електронних ресурсiв ТНПУ, защкавлешсть iнформацiею, пов'язаною з розширеним застосуванням програмного
забезпечення у навчальному процесi. За допомогою комп'ютерних засобш ми мали змогу систематично розглядати рiзнi способи побудови навчальних моделей, виробничих i технолопчних процесiв, збiльшити !х к1льк1сть, урiзноманiтнити змiст, розширити можливост узагальнення комп'ютерних понять. На нашу думку, використання iмiтацiйного комп'ютерного моделювання дае змогу викладачу повною мiрою реалiзувати так загальнодидактичнi принципи навчання, як сввдоме виконання навчальних завдань, наочнiсть, доступшсть, послiдовнiсть, диференцiацiя та iндивiдуалiзацiя навчального процесу.
4
л 10
Рис. 6. Результати моделювання перехiдних процеав.
Застосування iмiтацiйного комп'ютерного моделювання тдвищуе тзнавальний iнтерес Враховуючи iнтегральний характер професшно! дiяльностi майбутнiх учителiв технологи та iнженерiв-педагогiв, комп'ютернi технологи е необхвдним i невiд'емним елементом процесу тдготовки таких фахiвцiв. У цьому випадку найбiльш важливим аспектом е використання iмiтацiйного комп'ютерного моделювання в навчальному експерименп. Це забезпечуе тдвищення пiзнавального iнтересу студентiв до майбутньо! професшно! дiяльностi, розширюе можливiсть цшеспрямованого впорядкованого формування, поглиблення та розширення !х теоретичних знань.
Перспективами подальших розвiдок е впровадження високоефективних технологш навчання дисциплiн професшно! та практично! тдготовки майбутшх учителiв технологi! та iнженерiв -педагогiв.
Л1ТЕРАТУРА
1. Зеер Э. Ф. Модернизация профессионального образования: компетентностный подход: учеб.
пособие / Э. Ф. Зеер, А. М. Павлова, Э. Э. Сыманюк. - М.: Моск. психол.-соц. ин-т, 2005. - 216 с.
2. Беспалько В. П. Педагогика и прогрессивные технологии обучения / В. П. Беспалько. - М.:
Просвещение, 1995. - 336 с.
3. Рубинштейн С. Л. Основы общей психологии / С. Л. Рубинштейн. - СПб.: Питер Ком, 1999. - 720 с.
4. Морзе Н. В. Методика навчання шформатики: навч. поЫбник: У 4 ч. / Н. В. Морзе; за ред.
М. I. Жалдака. - К.: Навчальна книга, 2003. - Ч.1: Загальна методика навчання шформатики. -
254 с.
5. Шеннон Г. Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука: пер. с англ. / Г. Р. Шеннон; под
ред. Е. К. Масловского. - М.: Мир, 1978. - 418 с.
6. Горбатюк Р. М. Комп'ютерне моделювання у шдготовщ майбутшх iнженерiв-педагогiв до
профеийно! дiяльностi / Р. М. Горбатюк // Науковi записки Тернопшьського нац. пед. ун-ту
iм. В. Гнатюка. Серiя: Педагопка. - 2009. - № 3. - С. 222-229.
7. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде МЛТЬАВ: учеб. курс / А. Гультяев. - СПб.: Питер,
2000. - 432 с.
8. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МЛТЬАВ 6.0:
учеб. пособие / С. Г. Герман-Галкин. - СПб.: КОРОНАпринт, 2001. - 320 с.
9. Федорейко В. С. Використання обчислювально! техшки при вивченш загальнотехшчних дисциплш
/ В. С. Федорейко, М. I. Рутило // Науковi записки Тернопшьського держ. пед. ун-ту. Серiя:
Педагопка. - 2004. - № 3. - С. 147-151.
